Os engenheiros da Universidade de Wisconsin-Madison criaram um material de nanofibra que supera seus equivalentes amplamente utilizados - incluindo chapas de aço e tecido Kevlar - na proteção contra impactos de projéteis de alta velocidade.
Basicamente, é melhor do que à prova de balas.

"Nossos tapetes de nanofibra exibem propriedades protetoras que superam em muito outros sistemas de materiais com peso muito menor", diz Ramathasan Thevamaran, professor assistente de engenharia física da UW-Madison que liderou a pesquisa.

Ele e seus colaboradores detalharam o avanço em um artigo publicado recentemente na revista ACS Nano .

Para criar o material, Thevamaran e o pesquisador de pós-doutorado Jizhe Cai misturaram nanotubos de carbono de paredes múltiplas – cilindros de carbono com apenas um átomo de espessura em cada camada – com nanofibras de Kevlar. Os tapetes de nanofibra resultantes são superiores na dissipação de energia do impacto de pequenos projéteis que se movem mais rápido que a velocidade do som.

O avanço estabelece as bases para o uso de nanotubos de carbono em materiais de blindagem leves e de alto desempenho, por exemplo, em coletes à prova de balas para proteger melhor o usuário ou em escudos ao redor de naves espaciais para mitigar os danos causados ​​por microdetritos voadores de alta velocidade.

"Os materiais nanofibrosos são muito atraentes para aplicações de proteção porque as fibras em nanoescala têm excelente resistência, tenacidade e rigidez em comparação com as fibras de macroescala", diz Thevamaran. "Os tapetes de nanotubos de carbono mostraram a melhor absorção de energia até agora, e queríamos ver se poderíamos melhorar ainda mais seu desempenho."

Eles encontraram a química certa. A equipe sintetizou nanofibras de Kevlar e incorporou uma pequena quantidade delas em suas esteiras de nanotubos de carbono, que criaram ligações de hidrogênio entre as fibras. Essas ligações de hidrogênio modificaram as interações entre as nanofibras e, juntamente com a mistura certa de nanofibras de Kevlar e nanotubos de carbono, causaram um salto dramático no desempenho geral do material.

“A ligação de hidrogênio é uma ligação dinâmica, o que significa que ela pode continuamente se quebrar e se formar novamente, permitindo que ela dissipe uma grande quantidade de energia por meio desse processo dinâmico”, diz Thevamaran. "Além disso, as ligações de hidrogênio fornecem mais rigidez a essa interação, o que fortalece e enrijece o tapete de nanofibras. velocidades de impacto supersônicas."

Tragam as balas. Os pesquisadores testaram seu novo material usando um sistema de teste de impacto de microprojétil induzido a laser no laboratório de Thevamaran. Um dos poucos como ele nos Estados Unidos, o sistema usa lasers para disparar micro-balas nas amostras de material.

"Nosso sistema é projetado de tal forma que podemos realmente pegar uma única bala sob um microscópio e dispará-la contra o alvo de uma maneira muito controlada, com uma velocidade muito controlada que pode variar de 100 metros por segundo até mais de 1 quilômetro. por segundo", diz Thevamaran. "Isso nos permitiu realizar experimentos em uma escala de tempo em que pudemos observar a resposta do material - à medida que as interações das ligações de hidrogênio acontecem."

In addition to its impact resistance, another advantage of the new nanofiber material is that, like Kevlar, it is stable at both very high and very low temperatures, making it useful for applications in a wide range of extreme environments. + Explorar mais

Synthesis of diamond-like carbon nanofiber film